UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE … · trabajo final en formato impreso y digital a la...
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE QUITO CARRERA: INGENIERÍA ELECTRÓNICA Trabajo de titulación previo a la obtención del título de: INGENIEROS ELECTRÓNICOS TEMA: IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLATAFORMA AÉREA CON HARDWARE Y SOFTWARE FLEXIBLE PARA EL CONTROL DE UN CUADRICÓPTERO TELE-OPERADO AUTORES: MARIO SEBASTIÁN ROJAS VÁSQUEZ JOSE LUIS TAFUR CAIZA TUTOR: ANÍBAL ROBERTO PÉREZ CHECA Quito, Febrero de 2017
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE QUITO
CARRERA:
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Trabajo de titulación previo a la obtención del título de:
INGENIEROS ELECTRÓNICOS
TEMA:
IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLATAFORMA AÉREA CON HARDWARE
Y SOFTWARE FLEXIBLE PARA EL CONTROL DE UN
CUADRICÓPTERO TELE-OPERADO
AUTORES:
MARIO SEBASTIÁN ROJAS VÁSQUEZ
JOSE LUIS TAFUR CAIZA
TUTOR:
ANÍBAL ROBERTO PÉREZ CHECA
Quito, Febrero de 2017
CESIÓN DE DERECHOS DE AUTOR
Nosotros Rojas Vásquez Mario Sebastián y Tafur Caiza Jose Luis, con documento
de identificación N° 1718272824 y 1723478366 respectivamente, manifestamos
nuestra voluntad y cedemos a la Universidad Politécnica Salesiana la titularidad
sobre los derechos patrimoniales en virtud de que somos los autores del trabajo de
titulación intitulado: “IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLATAFORMA AÉREA
CON HARDWARE Y SOFTWARE FLEXIBLE PARA EL CONTROL DE UN
CUADRICÓPTERO TELE-OPERADO”, mismo que ha sido desarrollado para
optar por el título de: Ingeniero Electrónico, en la Universidad Politécnica
Salesiana, quedando la Universidad facultada para ejercer plenamente los derechos
cedidos anteriormente.
En aplicación a lo determinado en la Ley de Propiedad Intelectual, en nuestra
condición de autores nos reservamos los derechos morales de la obra antes citada. En
concordancia, suscribimos este documento en el momento que hacemos entrega del
trabajo final en formato impreso y digital a la Biblioteca de la Universidad Politécnica
Salesiana.
DECLARATORIA DE COAUTORÍA DEL DOCENTE TUTOR
Yo declaro que bajo mi dirección y asesoría fue desarrollado el PROYECTO TÉCNICO,
IMPLEMENTACIÓN DE UNA PLATAFORMA AÉREA CON HARDWARE Y
SOFTWARE FLEXIBLE PARA EL CONTROL DE UN CUADRICÓPTERO TELE-
OPERADO, realizado por Mario Sebastián Rojas Vázquez y Jose Luis Tafur Caiza,
obteniendo un producto que cumple con todos los requisitos estipulados por la
Universidad Politécnica Salesiana, para ser considerados como trabajo final de titulación.
Quito, Febrero de 2017
AGRADECIMIENTOS
Agradezco al esfuerzo de mis padres que me ofrecieron durante toda mi vida de
estudios hasta llegar a cumplir mi meta de ser un profesional, al apoyo de mis
hermanos que nunca perdieron la confianza de mis capacidades para la culminación
del proyecto, al apoyo de mi compañero Jose Luis Tafur que gracias al equipo que
realizamos nos permitió seguir siempre adelante.
Mario Sebastián Rojas Vásquez.
Agradezco a Dios y al esfuerzo de mi madre que me ofreció su apoyo constante durante
toda la vida de estudios que me han llevado a cumplir metas personales y profesional,
al apoyo de mi familia que gracias a su apoyo constante incentivaron mi crecimiento
personal y al apoyo de mi compañero Sebastián Rojas que gracias al equipo que
realizamos logramos culminar nuestro proyecto profesional.
Jose Luis Tafur Caiza.
DEDICATORIAS
Dedico este proyecto a todos los estudiantes que se encuentran en el área de
investigación de tecnología para que nunca se den por vencidos frente a una dificultad
por falta de información o de presupuesto, siempre se deben continuar investigando e
innovando para generar conocimientos colectivos.
Mario Sebastián Rojas Vásquez.
Dedico este proyecto a mi hijo, a mi esposa, a mi madre y hermana, ya que son los
pilares importantes de mi vida. Gracias a ellos tuve las fuerzas de seguir adelante y no
desmayar en los problemas que se presentaban, enseñándome a vencer las
adversidades sin perder la dignidad ni desfallecer en el intento.
Jose Luis Tafur Caiza.
ÍNDICE GENERAL
1. CAPÍTULO 1 ...................................................................................................... 1
GENERALIDADES ................................................................................................... 1
1.1. Vehículos Aéreos no Tripulados ................................................................... 1
1.1.1. Tipos de UAV ........................................................................................ 1
1.1.2. Ventajas del uso de UAV ....................................................................... 3
1.1.3. Multirrotor .............................................................................................. 3
1.1.4. Quadrotor ............................................................................................... 4
1.2. Motores Brushless ......................................................................................... 5
1.2.1. Motor Brushless Sensored ..................................................................... 7
1.2.2. Motor Brushless Sensorless ................................................................... 7
1.2.3. Funcionamiento del Motor Brushless .................................................... 7
1.2.4. Fuerza Contra Electro Motriz o Back EFM ........................................... 8
1.2.5. Métodos de conmutación de motores Brushless .................................... 8
1.3. Controlador Electrónico de Velocidad (ESC) ............................................. 10
1.4. Aerodinámica de una Hélice ....................................................................... 11
1.4.1. Paso Geométrico .................................................................................. 11
1.4.2. Paso Efectivo o real .............................................................................. 12
1.5. Giroscopio ................................................................................................... 13
1.6. Baterías de Polímeros de Litio Ion (Li-PO) ................................................ 13
1.6.1. Clasificación baterías Polímeros de Iones de Litio. ............................. 14
1.7. Placa de Desarrollo ...................................................................................... 15
1.8. Comunicación Bluetooth ............................................................................. 15
1.9. Control o mando a distancia ........................................................................ 16
2. CAPÍTULO 2 .................................................................................................... 17
SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA PLATAFORMA AÉREA .. 17
2.1. Placa de Control .......................................................................................... 17
2.2. Comunicación Inalámbrica .......................................................................... 19
2.3. Sensores ....................................................................................................... 20
2.4. Motores ........................................................................................................ 23
2.4.1. Calculo de Velocidad ........................................................................... 24
2.5. Sistema electrónico de control (ESC) ......................................................... 25
2.6. Mando a Distancia ....................................................................................... 26
2.7. Hélices ......................................................................................................... 27
2.8. Baterías ........................................................................................................ 28
2.8.1. Batería del sistema de control .............................................................. 28
2.8.2. Batería del sistema de motores. ............................................................ 30
2.9. Controlador PID (Proporcional, Integral, Derivativo) ................................ 32
3. CAPÍTULO 3 .................................................................................................... 36
IMPLEMENTACIÓN ............................................................................................. 36
3.1. Placa de circuito impreso (PCB) ................................................................. 36
3.2. Software ....................................................................................................... 37
3.3. Plano del Drone ........................................................................................... 40
3.4. Lectura de Datos de sensores ...................................................................... 41
3.5. Comunicación inalámbrica y control remoto .............................................. 41
3.6. Activación de motores ................................................................................. 43
3.7. Implementación del algoritmo de control.................................................... 44
3.8. Implementación Estructural......................................................................... 45
3.9. Algoritmo de control 3 ejes. ........................................................................ 46
4. CAPÍTULO 4 .................................................................................................... 48
PRUEBAS Y RESULTADOS ................................................................................. 48
4.1. Banco de Pruebas ........................................................................................ 48
4.2. Despegue con protector ............................................................................... 48
4.3. Despegue y vuelo sin protector ................................................................... 49
4.4. Pruebas finales ............................................................................................. 50
4.4.1. PRUEBA N° 1 ..................................................................................... 54
4.4.2. PRUEBA N° 2 ..................................................................................... 56
4.4.3. PRUEBA N° 3 ..................................................................................... 58
5. CAPÍTULO 5 .................................................................................................... 61
CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES .................................................... 61
5.1. CONCLUSIONES ....................................................................................... 61
5.2. RECOMENDACIONES ............................................................................. 63
LISTA DE REFERENCIAS .................................................................................. 64
ANEXOS ................................................................................................................... 66
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Helicóptero RC 2
Figura 1.2 Avión RC 2
Figura 1.3 Dirigible RC 2
Figura 1.4 Quadcopter 2
Figura 1.5 Multirrotor .................................................................................................. 3
Figura 1.6 Modelo Dinámico de Fuerzas ..................................................................... 5
Figura 1.7 Motor Brushless .......................................................................................... 6
Figura 1.8 Accionamiento de un Motor Brushless....................................................... 8
Figura 1.9 Ondas de Conmutación trapezoidal ............................................................ 9
Figura 1.10 Ondas de Conmutación Sinusoidal ......................................................... 10
Figura 1.11 Control de Motor Brushless Sensorless .................................................. 10
Figura 1.12 Hélice ...................................................................................................... 12
Figura 1.13 Giroscopio Electrónico ........................................................................... 13
Figura 1.14 Capas de una Batería de LI-PO .............................................................. 14
Figura 2.1 Placa Arduino ........................................................................................... 18
Figura 2.2 Modulo Bluetooth RN41 .......................................................................... 20
Figura 2.3 Giroscopio MPU-6050.............................................................................. 21
Figura 2.4 Señal sin filtro (Drone apagado) ............................................................... 22
Figura 2.5 Señal sin filtro (Drone Encendido) ........................................................... 22
Figura 2.6 Señal con filtro (Drone Apagado) ............................................................ 22
Figura 2.7 Señal con filtro (Drone Encendido) .......................................................... 22
Figura 2.8 Motor Brushless 930 KV .......................................................................... 23
Figura 2.9 Control Electrónico de Velocidad (ESC) 20 A......................................... 25
Figura 2.10 Control XBOX ........................................................................................ 27
Figura 2.11 Hélices .................................................................................................... 28
Figura 2.12 Señal de salida PID ................................................................................. 33
Figura 2.13 Señal de salida PID oscilante .................................................................. 34
Figura 3.1 Pistas de la placa de sensores.................................................................... 37
Figura 3.2 Diagrama de Flujo General ....................................................................... 39
Figura 3.3 Diagrama de Flujo nivel de referencia...................................................... 40
Figura 3.4 Dimensiones ............................................................................................. 40
Figura 3.5 Arduino y Giroscopio ............................................................................... 41
Figura 3.6 Arduino y Bluetooth RN41 ....................................................................... 42
Figura 3.7 Shield USB y control Xbox 360 ............................................................... 43
Figura 3.8 Control de Motores Brushlees con Arduino ............................................. 44
Figura 3.9 Modelo planta PID .................................................................................... 44
Figura 3.10 Movimiento de motores ......................................................................... 45
Figura 3.11 Estructura de Drone con ESC ................................................................. 45
Figura 3.12 Estructura Drone con Motores ................................................................ 46
Figura 4.1 Drone en Banco de Pruebas un solo eje ................................................... 48
Figura 4.2 Drone con protector .................................................................................. 49
Figura 4.3 Drone sin protector ................................................................................... 50
Figura 4.4 Señales tomadas en el eje PITCH ............................................................ 54
Figura 4.5 Señales tomadas en el eje ROLL ............................................................. 55
Figura 4.6 Señal del sensor en eje Pitch .................................................................... 56
Figura 4.7 Señal del sensor en eje ROLL .................................................................. 56
Figura 4.8 Señal de estabilidad y perturbación en el eje PITCH .............................. 58
Figura 4.9 Señal de estabilidad y perturbación en el eje ROLL ............................... 58
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Consumo de Corriente .............................................................................. 18
Tabla 2.2 Voltajes de trabajo y consumo ................................................................... 19
Tabla 2.3 Corrientes de operación ............................................................................. 20
Tabla 2.4 Características Motor Brushless................................................................. 23
Tabla 2.5 Valores Modelo Drone ............................................................................... 24
Tabla 2.6 Características Componentes Drone .......................................................... 29
Tabla 2.7 Valores medidos en pruebas ...................................................................... 31
Tabla 2.8 Formulas Calculo PID ................................................................................ 33
Tabla 4.1 Criterios de Sintonización .......................................................................... 53
RESUMEN
Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) son plataformas usadas en aplicaciones
militares, civiles y de investigación, esto con el fin de implementar sistemas con bajos
costos, baja operación logística y seguros para la operación humana.
El proyecto se basa en el desarrollo e implementación de una plataforma aérea con
software flexible la cual permitirá realizar pruebas con diferentes algoritmos de vuelo
con el fin de lograr la estabilidad del Drone.
De la misma manera la implementación de un sistema que interaccione con varios
protocolos de comunicación inalámbrica, permitiendo el mando a distancia con varias
tecnologías.
Lo primero que se realiza es la investigación de lo que es un UAV, cuales son los
componentes usados para su construcción, las características principales de cada
elemento.
Después se adquieren los materiales que se usaran y cada elemento es probado con la
ayuda de un banco de pruebas, de cada dispositivo se obtienen datos los cuales serán
de mucha ayuda en el momento de establecer la mejor configuración del sistema.
El ensamblado del Drone se realiza por cada eje, las configuraciones, y pruebas de
funcionamiento de la misma manera. Al tener todo el UAV armado, es colocado en
diferentes bancos de prueba con el fin de observar el comportamiento con el algoritmo
de estabilización de vuelo, evitando que el sistema sufra daños en pruebas iniciales.
Por último se realizan las pruebas de vuelo, donde a través del comportamiento del
Drone al elevarse se realiza una sintonización del algoritmo de control y estabilidad
hasta que el sistema se eleve sin vibraciones siendo capaz de soportar un estímulo
externo, corrigiendo el error y estabilizándose de manera inmediata.
ABSTRACT
Unmanned aerial vehicles (UAV) are platforms used in military, civilian and research
applications, and this in order to implement systems with low costs, low logistics and
safe operation with human operation.
The project based on the development and implementation of an aerial platform with
flexible software, which will allow testing with different algorithms flight in order to
achieve stability in the Drone.
Similarly the implementation of a system that allows interaction with multiple wireless
communication protocols, enabling the remote control with various technologies.
The first thing that is done is the investigation of what is a UAV, what are the
components used for its construction, the main characteristics of each element.
Then the materials to be used are acquired and each element is tested with the help of
a test bench, each device obtains data which will be of great help in establishing the
best configuration of the system.
The Drone assembly is performed by each axis, configurations, and performance tests
in the same way. Having all the UAV armed, it is placed on different test benches in
order to observe the behavior with the flight stabilization algorithm, avoiding that the
system suffers damage in initial tests.
Finally, the flight tests are performed, where through the behavior of the Drone as it
rises a tuning of the control and stability algorithm is performed until the system rises
without vibrations being able to withstand an external stimulus, correcting the error
and stabilizing itself immediately.
PRESENTACIÓN
En el mercado existen varios modelos de UAV, el inconveniente de esos sistemas es
que vienen con un control único, el más usado es por radio frecuencia y no es posible
controlarlos con otro tipo mando a distancia.
La mayoría de UAV’s son difíciles de maniobrar y hay que tener experiencia para
controlarlos de manera óptima, por esta razón se desea un sistema que admita la
interacción con varios tipos de protocolos de comunicación que permitan el mando
distancia con diferentes tecnologías.
Así mismo implementar una plataforma que acepte diferentes algoritmos de vuelo con
el fin de lograr estabilización del robot aéreo, permitiendo maniobrar de manera fácil
y rápida un UAV.
OBJETIVO GENERAL
Implementar una plataforma abierta de control de vuelo para un robot aéreo usando
una placa de desarrollo de software libre para adoptar varios sistemas de mandos a
distancia y estabilización de vuelo.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Ensamblar una estructura de un robot aéreo de 4 hélices y una batería de alto
rendimiento para realizar pruebas de vuelo.
Realizar el modelamiento matemático de la plataforma aérea para identificar
las variables determinantes del sistema.
Implementar un mando con comunicación inalámbrica para el mando a
distancia de robot aéreo
Realizar un algoritmo de control con un eje para la estabilización de vuelo del
robot aéreo.
El primer capítulo presenta el concepto de lo que es un vehículo aéreo no tripulado así
mismo de los elementos que los componen, el funcionamiento y cómo se comporta
cada uno de ellos. También incluye el concepto de comunicación inalámbrica y lo que
es un control remoto o mando a distancia.
El capítulo dos explica cómo se seleccionaron los componentes del UAV con su
respectiva justificación, y con las características de cada elemento se presenta la
autonomía que tendrá el UAV, tanto en empuje para el despegue, tiempo de vuelo y
modo de control.
También se detalla el diseño de placas electrónicas, la lógica de programación para el
sistema de estabilización, respuesta de los microcontroladores, y pruebas de
comunicación inalámbrica para el mando a distancia
En el capítulo 3 se desarrolla la explicación de cómo se armó de manera estructural el
sistema de vuelo, la configuración y sentido de giro de motores y hélices, colocación
de placa de control y sensores.
El capítulo 4 presenta pruebas y resultados obtenidos después de implementar
diferentes algoritmos matemáticos obtenidos en la sección de diseño, que controlan la
estabilidad del UAV en vuelo, corrigiendo los valores del algoritmo basados en el
comportamiento del robot aéreo.
1
CAPÍTULO 1
1. GENERALIDADES
1.1. Vehículos Aéreos no Tripulados
Un vehículo aéreo no tripulado (UAV) es un pequeño vehículo que es controlado en
forma remota. El hecho de volar sin tripulación, lograr un control casi exacto o
quedarse en un lugar suspendido prácticamente sin oscilar, son algunas de sus virtudes.
Los drones son usados en varias de tareas que el ser humano no podrá hacer por su
complejidad y riesgo.
Están diseñados de materiales compuestos ligeros para reducir peso y aumentar la
capacidad de maniobra.
Tienen un gran potencial en áreas muy diversas, ya que debido a su capacidad de vuelo
se desplazan rápidamente sobre un terreno irregular o accidentado, superando
obstáculos, ofreciendo imágenes y otro tipo de información recogida por diferentes
sensores. (CodeDIMENSION, 2016)
1.1.1. Tipos de UAV
Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) se los clasifica conforme a su
morfología.
Helicópteros: Tiene un rotor en la parte superior y uno de cola como se visualiza
en la Figura 1.1, con el fin de compensar el par del rotor que lo haría girar sin dar
vueltas. Tiene una gran maniobrabilidad, una ventaja es quedarse en vuelo
estacionario y volar verticalmente. (Mora, 2015)
Aviones: Tiene dos alas horizontales en torno al fuselaje como se visualiza en la
Figura 1.2, que lo dotan de la sustentación necesaria al ir a una determinada
velocidad por diferencia de presiones. Logra altas velocidades y lleva cargas
elevadas, pero no tiene la posibilidad del vuelo estacionario. (Mora, 2015)
2
Dirigible: Tiene un principio básico de diferencia de densidades. El helio que
contienen es menos denso que el aire del exterior y por eso flotan, un ejemplo se
visualiza en la Figura 1.3. Las maniobras son sencillas con un motor para cada eje
de movimiento. La carga condiciona mucho la capacidad de vuelo. (Mora, 2015)
Multirrotor: Tiene varios rotores verticales en puntos equidistantes del centro
horizontalmente como se visualiza en la Figura 1.4, variando las velocidades de
giro de cada uno de los motores se consigue una maniobrabilidad sorprendente.
(ORTEGA, 2015)
Figura 1.1 Helicóptero RC Figura 1.2 Avión RC
(Minimall, 2016) (Fondox, 2016)
Figura 1.3 Dirigible RC Figura 1.4 Quadcopter
(CanStockPhoto, 2016) (Carnot, 2016)
3
1.1.2. Ventajas del uso de UAV
Reducción de precio.
Mejora las prestaciones: Mayor estabilidad, posibilidad de vuelo a bajas
velocidades, cerca del suelo o de obstáculos.
Simplificación del proceso.
Automatización del proceso cuando es necesario fotografiar un área más
grande.
Obtención de mapas 3D de un terreno.
Reducción del tiempo de trabajo.
Reducción de los efectivos humanos necesarios: Una persona puede
realizar el trabajo.
1.1.3. Multirrotor
Un multirrotor es un aparato cuya sustentación está producida por el giro de múltiples
rotores equidistantes del centro geométrico del mismo, y con distintas combinaciones
de velocidades de giro se consigue una amplia maniobrabilidad. (ORTEGA, 2015)
El grupo de los multirrotores se dividen varios grupos en función del número de
rotores, habiendo desde trirrotores hasta decarrotores. Cuantos más motores más
estabilidad y más fuerza de propulsión, lo que conlleva más capacidad de carga. Un
ejemplo de Multirrotor se visualiza en la Figura 1.5. (ORTEGA, 2015)
Figura 1.5 Multirrotor
(Expandore, 2016)
4
1.1.4. Quadrotor
Un quadrotor se define como una aeronave que se eleva y se desplaza por el
movimiento de cuatro motores colocados en los extremos de una estructura en
forma de cruz. Se utiliza el nombre inglés quadrotor o existe la traducción
cuadricóptero. El vehículo dispone de 4 motores, cada uno con su hélice respectiva,
se utiliza la velocidad de los motores para controlar la estabilidad y movimientos
del vehículo aéreo. (ORTEGA, 2015)
1.1.4.1. Características del Quadrotor
Los sistemas Quadrotores se sitúan en la categoría de mini UAVs (menor a 25
kg). Las características generales de vuelo de esta categoría son las siguientes:
Alcance: menor a 10 km.
Altitud de vuelo: menor a 300 m
Autonomía: menor a 2 h
Carga máxima: menor a 5 kg.
Una de las características a destacar es la maniobrabilidad que pose
este tipo de vehículo. Al tener cuatro motores el control es bastante
exacto, lo que ayuda a utilizarlo en aplicaciones donde la exactitud
de vuelo estacionario sea muy importante.
1.1.4.2. Dinámica
El movimiento del UAV se origina a partir de los cambios de velocidad de los rotores.
Para lograr movimiento hacia adelante la velocidad del rotor trasero debe ser
aumentada, y simultáneamente, la velocidad del rotor delantero debe ser disminuida.
El desplazamiento lateral se ejecuta con el mismo procedimiento, pero usando los
rotores de la derecha y de la izquierda. El movimiento de guiñada (yaw) se obtiene a
partir de la diferencia en el par de torsión entre cada par de rotores, se acelera los dos
rotores con sentido horario mientras se desacelera los rotores con sentido anti-horario,
y vice-versa como se observa en la Figura 1.6.
5
Figura 1.6 Modelo Dinámico de Fuerzas
Esquema Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
El par para generar un movimiento de balanceo o de roll (ángulo Φ) se realiza mediante
un desequilibrio entre las fuerzas f2 y f4. Para el movimiento de cabeceo o de pitch
(ángulo θ), el desequilibrio se realizara entre las fuerzas f1 y f3. El movimiento en el
ángulo de guiñada o de yaw (ángulo ψ) se realizara por el desequilibrio ente los
conjuntos de fuerzas (f1, f3) y (f2, f4). Este movimiento será posible ya que los rotores
1 y 3 giran en sentido contrario a los rotores 2 y 4. Finalmente, el empuje total, que
hará que el Quadrotor se desplace perpendicularmente al plano de los rotores, se
obtendrá como suma de las cuatro fuerzas que ejercen los rotores. (Garcia, 2016)
1.2. Motores Brushless
Brushless quiere decir "sin escobillas". En este tipo de motor la corriente eléctrica pasa
directamente por los bobinados del estator o carcasa, por lo tanto aquí no son
necesarias escobillas o un colector que se utilizan en otro tipo de motores.
La corriente eléctrica genera un campo electromagnético que interacciona con el
campo magnético creado por los imanes permanentes del rotor, haciendo que aparezca
una fuerza que hace girar al rotor y por lo tanto al eje del motor.
6
Los motores Brushless están compuestos por una parte móvil que es el rotor, que es
donde se encuentran los imanes permanentes, y una parte fija, denominada estator o
carcasa, sobre la cual van dispuestos los bobinados de hilo conductor.
Los motores Brushless tienen un parámetro importante, que es factor "kV".
Normalmente aparece junto al número de vueltas de bobinado del motor, e indica el
número de revoluciones por minuto a las que es capaz de girar el motor por cada voltio
de electricidad que se le aplica.
Para que el motor gire, hay que conseguir que sus bobinados sean capaces de generar
un campo magnético perpendicular a la dirección del campo magnético de los imanes
permanentes, debido a que el par generado es máximo. Un ejemplo de la construcción
de los motores se visualiza en la Figura 1.7.
Para conocer la posición del rotor en cada momento se utiliza dos procedimientos, y
dependiendo de cuál se utilice, el motor será Sensored o sensorless.
Figura 1.7 Motor Brushless
Motor Brushless, Sebastian Rojas, José Tafur
7
1.2.1. Motor Brushless Sensored
Los motores sensored cuentan con sensores que determinan la posición durante el giro
del rotor, incluso a velocidades bajas, y permiten conocer el momento idóneo para
aplicar el valor de tensión en cada bobina. Para hacer todo esto, el motor debe ir
asociado a un controlador electrónico de velocidad (ESC), que se conecta al motor
para enviar los niveles de tensión, otro conector permite recibir la información acerca
de la posición del rotor, y en base a la cual realiza ajustes y modifica las señales de
salida del driver a cada bobinado. (Yedamale, 2016)
1.2.2. Motor Brushless Sensorless
Estos motores no tienen sensores, por lo tanto el variador es menos complicado y debe
servirse de otro método para determinar la posición del rotor. Para ello los ESC
asociados a estos motores realizan un monitoreo de los impulsos o señales que envían
al motor; pero tiene como inconveniente que cuando el motor gira a velocidades más
bajas donde la intensidad generada por el campo magnético tiene un valor inferior,
resulta difícil analizar esto con exactitud. (Bueno, 2016)
1.2.3. Funcionamiento del Motor Brushless
La mayoría de estos motores constan de tres bobinados L1, L2 y L3 conectados entre
sí, formando una conexión en estrella o triangulo (dependiendo del tipo de motor) que
desemboca en tres puntos de conexión, que son los tres cables A, B y C que se conectan
al ESC.
Ahora lo que hace el ESC para producir el giro, es aplicar tensiones en cada bobina
L1, L2 y L3 con polaridades desfasadas 120 grados y de manera secuencial, de tal
forma que los imanes del rotor van atrayendo y repeliendo las polaridades de las
bobinas a la velocidad de la secuencia de voltajes que manda el ESC. (Bueno, 2016)
La configuración más empleada de la etapa de potencia. Se compone de seis
transistores de potencia MOSFETs o IGBTs como se visualiza en la Figura 1.8,
dependiendo de la tensión de alimentación. Para regular la velocidad se emplea la
técnica PWM con portadora de alta frecuencia. (Yedamale, 2016)
8
Figura 1.8 Accionamiento de un Motor Brushless
Accionamiento por IGBT de un motor Brushless, Sebastián Rojas, José Tafur
1.2.4. Fuerza Contra Electro Motriz o Back EFM
La fuerza contra electro motriz (o Back EMF) es el voltaje o fuerza electromotriz que
se opone a la corriente que la induce. Es causada por el campo electromagnético
cambiante dentro de los bobinados de un motor según la ley de Lenz. La ley de Lenz
establece que el sentido de la corriente inducida en una espira conductora que rodea
un flujo de campo magnético cambiante causará un flujo que se opone al que lo causo
llamado fem o fuerza electromotriz. (Yedamale, 2016)
1.2.5. Métodos de conmutación de motores Brushless
Las técnicas de control de los motores con sensores se clasifican según el algoritmo
de control utilizado. Los métodos son:
Conmutación trapezoidal
En este caso se controla la corriente que circula por los bobinados del motor, excitando
un par simultáneamente. Sucesivamente se va alternando el par de terminales a excitar
hasta completar las seis combinaciones posibles como se visualiza en la Figura 1.9.
9
Las ventajas son su sencillez y fácil implementación, siendo el método más usado.
Tiene un problema en la conmutación del vector de corrientes que es un rizado en el
torque de salida. Cuando se requieren fuerzas uniformes o bajas velocidades, llega a
tener muchos inconvenientes. (Yedamale, 2016)
Figura 1.9 Ondas de Conmutación trapezoidal
(Yedamale, 2016)
Conmutación sinusoidal
Es un control avanzado y exacto, ya que controla la posición del rotor continuamente.
Esto se consigue aplicando simultáneamente tres corrientes sinusoidales desfasadas
120 grados a los tres bobinados del motor como se visualiza en la Figura 1.10. La fase
de las corrientes se escoge de forma que el vector de corrientes resultante siempre este
en cuadratura con la orientación del rotor y tenga un valor constante. (Yedamale, 2016)
Gracias a esto se obtiene un par más preciso y sin el rizado típico de la conmutación
trapezoidal.
Para lograr esto se necesita la posición del rotor, que es medida por sensores de efecto
Hall colocados en el motor.
10
Figura 1.10 Ondas de Conmutación Sinusoidal
(Yedamale, 2016)
1.3. Controlador Electrónico de Velocidad (ESC)
Un control electrónico de velocidad tiene como finalidad lograr una velocidad estable
en el rotor, sin importar la carga o las perturbaciones que tenga. Una hélice se
considera una carga con un conjunto de perturbaciones dinámicas.
La etapa de potencia que se implementa consiste en transistores MOSFET como se
visualiza en la Figura 1.11, que conmutan siguiendo una secuencia para excitar las
bobinas del motor en 6 pasos. Las señales que comandan la conmutación de los
transistores, siguen la secuencia de 6 pasos para alimentar las bobinas en el orden
adecuado, pero también tienen la función de regular la corriente de cada fase por medio
de PWM. El ciclo útil de la señal PWM es proporcional al voltaje promedio que se ve
en las bobinas, las cuales filtran esta variación con su propia inductancia produciendo
una corriente regulada. (Yedamale, 2016)
Figura 1.11 Control de Motor Brushless Sensorless
(Yedamale, 2016)
11
Los motores Brushless tienen alta eficiencia debido a su baja resistencia y baja
inductancia. La velocidad final del motor es determinada por el voltaje aplicado a este
y la constante de Back-EMF. (Yedamale, 2016)
1.4. Aerodinámica de una Hélice
La hélice es un dispositivo por el cual una fuerza motriz consigue arrastrar (ya sea por
atracción o propulsión) un objeto en un medio fluido como es el aire. Su
funcionamiento se basa en que las palas, al girar por acción de la fuerza motora,
producen, reacción al fluido, una fuerza hacia adelante. (Zier, 1942)
Esta fuerza llamada tracción es de sentido contrario a la fuerza de resistencia al avance
y cuando es superior en valor absoluto, o igual a ella, mantiene al objeto en su línea de
vuelo.
La fuente de potencia para hacer girar la hélice surge en general en un pequeño motor.
El eje del motor se encarga de transmitir la potencia a la hélice, la que a su vez
transforma esa potencia en tracción.
1.4.1. Paso Geométrico
En realidad la hélice es como un tornillo que gira en el aire, avanzando una cierta
cantidad en cada vuelta completa. Esta distancia avanzada depende del ángulo de las
palas, que determina el ángulo con el que los filetes de aire se encuentran con ella y el
diámetro de la hélice. (Zier, 1942)
La distancia que recorrería la hélice en una vuelta completa de 360 grados si avanzará
como un tornillo, en un sólido o en un fluido perfecto se llama “Paso Geométrico”,
esto se visualiza en la Figura 1.12.
12
El Paso Geométrico (P.G.), en pulgadas, para la punta de la hélice, se halla con la
siguiente formula:
𝑃. 𝐺. = 𝑇𝑎𝑛 𝛽 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷 (1.1)
Donde:
P. G. = Paso Geométrico (pulgadas).
Tan β = Tangente del ángulo de la pala en la zona donde se medirá el paso.
π = Constate.
D = Diámetro (pulgadas).
Figura 1.12 Hélice
Paso geométrico de una Hélice, Sebastián Rojas, José Tafur
1.4.2. Paso Efectivo o real
La hélice en realidad trabaja en un medio poco denso, y por lo tanto nunca conseguirá
avanzar una distancia igual a P.G. calculado. Si así ocurriera, la hélice tendría un
rendimiento del 100%. Esto no es alcanzado con ningún tipo de hélice. Por la tanto, la
distancia que avanza la hélice es una vuelta completa es siempre menor que el paso
geométrico. La distancia real se llama paso efectico y la diferencia entre los dos se
llama pérdida. (Zier, 1942)
Se suele tomar como índice de eficiencia de la hélice a la relación entre el paso efectivo
y el paso geométrico (ver ecuación 1.2). Por tanto si una hélice que por calculo tiene
13
un paso geométrico de 7 pulgadas y en realidad avanza por cada vuelta una distancia
de solamente 5.6 pulgadas se dice que tiene una eficiencia del 80%.
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝑃𝑎𝑠𝑜 𝐸𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜
𝑃𝑎𝑠𝑜 𝐺𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 (1.2)
1.5. Giroscopio
Es un dispositivo que tiene como fin conservar el momento angular. Por esta razón es
utilizado para medir, mantener o cambiar la orientación en el espacio de un aparato o
vehículo. (ECURED, 2016)
En la actualidad existen giroscopios electrónicos los cuales determinan la orientación
y son usados por sistemas de navegación autónomos.
Figura 1.13 Giroscopio Electrónico
(Control, 2016)
Los giroscopios electrónicos son dispositivos de estado sólido basados en la
aceleración de Coriollis, un ejemplo de ellos se visualiza en la Figura 1.13. En ellos,
un material piezoeléctrico se hace oscilar a la frecuencia de resonancia, de modo que
al girar, la fuerza de Coriollis provoca la aparición de una diferencia de potencial
debido a la desviación del prisma, permitiendo la medida de la velocidad de rotación.
Un giroscopio electrónico mide la rotación en torno a tres ejes: X, Y, y Z. (InvenSense,
2013)
1.6. Baterías de Polímeros de Litio Ion (Li-PO)
Las celdas de Polímeros de Iones de Litio utilizan los materiales activos de las celdas
del mismo nombre que son planos, prismáticas o cilíndricas, que por electrodos unidos
14
permite la fabricación de celdas delgadas recubiertas de una película protectora.
(David Linden, 2002)
En la Figura 1.14 se muestra las partes que constituyen una celda de batería de
Polímeros de Iones de Litio.
Figura 1.14 Capas de una Batería de LI-PO
(David Linden, 2002)
Las baterías de Polímeros de Iones de Litio son recargables y a comparación de otro
tipo de baterías como Níquel Cadmio (Ni-Cd) o Níquel Metal Hidruro (Ni - MH)
tienen tres aspectos importantes:
Son ligeras y son construidas de varios tamaños y formas.
Tienen gran capacidad de almacenamiento de energía en espacios reducidos.
Tiene una tasa de descarga alta, la cual permite alimentar a sistemas eléctricos muy
exigentes.
1.6.1. Clasificación baterías Polímeros de Iones de Litio
Voltaje o clasificación “S”: Las celdas de las baterías de Polímeros de Iones de
Litio tienen un voltaje nominal de 3.7 Voltios y de 4.2 Voltios cuando se
encuentran totalmente cargadas, estas celdas son conectadas entre sí en diferentes
configuraciones: en Serie “S” o en Paralelo “P”.
Capacidad o mili Amperio hora (mAh): Es la cantidad máxima de consumo de
corriente en miliamperios que soporta la batería durante una hora, para que se
descargue completamente, por ejemplo, si una batería tiene una capacidad de
15
500mAh y se coloca una carga que consume 500mAh la batería se descargará
completamente en 1 hora.
Tasa de descarga o “C”: La tasa de descarga denominada valor C es la rapidez
con la que una batería de Polímeros de Iones de Litio se descarga de forma segura
hasta niveles de voltajes mínimos, entre más rápido fluyan los iones del ánodo al
cátodo mayor será la velocidad de descarga. (David Linden, 2002)
1.7. Placa de Desarrollo
Arduino es una placa electrónica con un microcontroladores ATmega de la marca
ATMEL. Lo importante de la placa es el microcontrolador, en este elemento estará
todo el sistema de control del Drone, la placa es solo la carcasa que permite una
conexión fácil con diferentes dispositivos. Arduino es asequible debido a su costo
económico a comparación de otras plataformas de microcontroladores.
El software de programación para Arduino se ejecuta en Windows, Linux y OS X, El
software de programación es fácil de utilizar y también permite aprovechar una
programación avanzada, código abierto y software extensible. El software de Arduino
es una herramienta disponible para programadores avanzados que permite agregar
bibliotecas en código C++ como también programación en código AVR-C
directamente a los programas de Arduino.
1.8. Comunicación Bluetooth
El sistema Bluetooth utiliza la técnica FHSS (Espectro ensanchado por saltos de
frecuencia) para comunicarse, consiste en dividir un intervalo de frecuencia en 79
canales de 1MHz cada uno y transmitir la señal mediante una combinación de canales
conocida tanto por el emisor como por el receptor. (udlap, 2016)
Ha sido la tecnología inalámbrica de corto alcance más utilizada por su versatilidad y
uso sencillo. Se usa en móviles, teclados y ratones inalámbricos, manos libres etc.
16
Las conexiones de los dispositivos inalámbricos son mayores a 10 m (mayores a 100
m si la potencia del transmisor es incrementada), los dispositivos no necesitan estar
dentro de la línea de datos.
1.9. Control o mando a distancia
La palabra control significa comprobación, inspección, o intervención. También hace
referencia al dominio, mando y preponderancia, o a la regulación sobre un sistema.
Al dispositivo que permite regular a distancia el funcionamiento de un aparato, se lo
conoce como control remoto (o mando a distancia). Este tipo de dispositivos posibilita
el manejo de dispositivos electrónicos. Existen dos tipos principales de mandos a
distancia (o control remoto): los infrarrojos y los de radiofrecuencia. Los mandos a
distancia de infrarrojos funcionan emitiendo pulsos de luz infrarroja mientras que los
de radiofrecuencia emiten ondas de radio.
17
2. CAPÍTULO 2
SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE LA PLATAFORMA AÉREA
Para el diseño se basará en el modelo matemático que depende del tipo de hélice que
se ocupará, el cual se encuentra en el Anexo1. Se elegirá los elementos que
compondrán el Quadcopter además de las características de cada componente así, al
finalizar se tendrá definida la parte física del Drone.
Primero se obtendrá una aproximación de componentes a utilizar, esto se basa en las
dimensiones del chasis y en el objetivo de este proyecto.
Al final con el peso de los componentes sumados a los del chasís se obtiene el peso
total y con ese dato se obtendrán los elementos finales a usarse.
2.1. Placa de Control
Una característica importante del proyecto, es la implementación de software y
hardware flexible, permite ser configurado a necesidad. Por esta razón se elige la placa
ARDUINO UNO que se visualiza en la Figura 2.1, ya que al ser de código abierto
utiliza varias librerías existentes, como código AVR sobre la plataforma de IDE
Arduino, esto ayuda a la lectura de sensores con protocolo de comunicación I2C,
permite trabajar con el máximo de velocidad en pulsos de salidas digitales, al tener
múltiples puertos de comunicación USART permite el monitoreo de datos en tiempo
real que comunican al mismo software de Arduino o una interfaz gráfica.
Cuenta con 14 salidas digitales, 4 de ellas serán conectados a los drivers de motores
ESC que son los controladores electrónicos de motores brushless.
La comunicación I2C permitirá realizar la lectura del dispositivo MPU 6050 que
trabaja con este protocolo.
18
Figura 2.1 Placa Arduino
(Pololu, 2016)
Cuenta con un regulador integrado el cual permite tener baterías separadas para control
y para potencia de motores, admite voltaje de entrada de (7 – 12) Voltios DC y entrega
voltajes de 3.3 Voltios a 5.0 Voltios como se muestra en la Tabla 2.2. Opera con
corrientes bajas como se observa en la Tabla 2.1. Esto aumenta la autonomía de vuelo
ya que al haber menor consumo de energía la batería dura más.
Tiene un oscilador de 16MHz el cual realiza procesos en un tiempo de 4ms que son
necesarios para generar pulsos PWM para los controladores electrónicos de motores
ESC.
La comunicación USART permite la interacción con dispositivos inalámbricos los
cuales ayudan a tener un mando a distancia del Drone.
Tabla 2.1. Consumo de Corriente
SALIDA CORRIENTE CANTIDAD TOTAL
PLACA ARDUINO UNO 300 mA 1 300 mA
PUERTO DE SALIDA 20 mA 4 80 mA
(Arduino, 2016)
19
Tabla 2.2 Voltajes de trabajo y consumo
VOLTAJE SALIDA
PLACA ARDUINO UNO 3.3 V y 5 V
PUERTO DE SALIDA 5
(Arduino, 2016)
2.2. Comunicación Inalámbrica
Debido a que es un sistema controlado a distancia se trabaja a frecuencias altas cerca
de los 2.4 GHz para evitar interferencias en la señal inalámbrica, se debe tener bajo
consumo de corriente como se visualiza en la Tabla 2.3, para optimizar el tiempo de
vuelo del Drone, la comunicación debe ser segura, de preferencia de conexión
automática entre el sistema de control y el mando inalámbrico.
Se debe configurar la velocidad de transmisión entre el dispositivo y la placa de control
para el mando a distancia.
El dispositivo será un módulo bluetooth RN-41 que se visualiza en la Figura 2.2, el
cual cumple con las siguientes características.
Comunicación USART.
Velocidad de transmisión configurable de 1200 bps hasta 921Kbps.
Frecuencia de trabajo de (2.4 – 2.48) GHz
Conexión automática entre dispositivos previamente configurados
Distancia máxima de conexión 100mts.
La ventaja de este dispositivo es que al momento de configurar en el maestro la
dirección MAC del dispositivo, el esclavo se conecta automáticamente, al mismo
tiempo que se colocan en modo invisible para el resto de dispositivos.
20
Tabla 2.3 Corrientes de operación
(Roving, 2016)
Figura 2.2 Modulo Bluetooth RN41
(Jayconsystems, 2016)
2.3. Sensores
Se requiere de un sensor que sea capaz de medir el ángulo de inclinación en función
del tiempo (grados /segundos) que tenga un filtro interno para vibraciones que existen
en el DRONE y que mida 3 ejes de giro “x”, “y”, “z”, “roll”, “pitch”, “yaw”,
respectivamente.
Por tales razones se utilizará un giroscopio modelo MPU 6050 el cual se visualiza en
la Figura 2.3. Cuenta con un filtro para evitar vibraciones, con un rango de escala
programable dado en °/s (grados/segundos) y con una corriente entre giroscopio más
acelerómetro de 10mA.
MODO CORRIENTE
NORMAL
CONECTADO 30 mA
TRANSMISIÓN 100 mA
RECEPCIÓN 60 mA
21
Figura 2.3 Giroscopio MPU-6050
(Dealextreme, 2016)
Con el sensor configurado a una escala de ±500 °/s, en escala de sensibilidad de 65.5
LSB/°/s y se usara un filtro digitales cuya fórmula fue obtenida del Libro Tratamiento
Digital de Señales. (Proakis, 2007)
𝑦(𝑛 + 1) = 𝑦(𝑛) +𝑢(𝑛)
𝐿𝑆𝐵 (2.1)
Donde:
𝑦(𝑛 + 1) Es el dato siguiente
𝑦(𝑛) Es el dato anterior
𝑢(𝑛) Es el dato leído
LSB valor de muestreo (grados / segundos)
La Figura 2.4 muestra los datos del sensor con los motores apagados, la Figura 2.5
muestra los datos del sensor con los motores encendidos a velocidad de 1400 en una
variable de rango 1400 a 2000 se nota el ruido del sensor el cual afecta
considerablemente en el control del Drone por lo tanto se colocará un filtro digital pasa
bajos que se utilizará el 80% para el dato anterior y el 20% de dato leído, teniendo así
la siguiente fórmula. (Proakis, 2007)
𝑦(𝑛 + 1) = (𝑦(𝑛) ∗ 0.8) + (𝑢(𝑛)
𝐿𝑆𝐵∗ 0.2) (2.2)
22
Figura 2.4 Señal sin filtro (Drone
apagado)
Señales Giroscopio, Sebastián Rojas, Jose
Tafur
Figura 2.5 Señal sin filtro (Drone
Encendido)
La Figura 2.6 muestra los datos del sensor con los motores apagados, la Figura 2.7
muestra los datos del sensor con los motores encendidos a velocidad de 1400 en una
variable de rango 1400 a 2000 aplicando la formula (2.2), se nota que el ruido es menor
lo cual permitirá una mayor estabilidad sobre el Drone.
Figura 2.6 Señal con filtro (Drone
Apagado)
Señales Giroscopio, Sebastián Rojas,
Jose Tafur
Figura 2.7 Señal con filtro (Drone
Encendido)
23
2.4. Motores
Se necesita motores de bajo rozamiento capaces de generar altas velocidades, mayor
eficiencia, mayor rendimiento es decir que tengan menor pérdida por calor, menor
consumo de corriente y que el torque sea constante con respecto a la velocidad del
motor.
Figura 2.8 Motor Brushless 930 KV
(Aliexpress, 2016)
Para este proyecto se utilizará motores Brushless (sin escobillas), un ejemplo de ellos
se visualiza en la Figura 2.8, los cuales cumplen con las especificaciones requeridas
ya que constan con un rendimiento alto. En la Tabla 2.4 se muestran sus características.
Tabla 2.4 Características Motor Brushless
Especificaciones Valor
Kv 930
Corriente máxima 4-10 Amperios
Tipo de batería 2 o 3 celdas de LI-PO
(Rcgroups, 2016)
24
2.4.1. Calculo de Velocidad
Los motores seleccionados trabajan a 12 Voltios DC como máximo y con el factor de
potencia de 930KV (rpm/voltio) se obtiene la velocidad máxima del motor (Ecuación
2.3). Los datos se obtenidos se muestran en la Tabla 2.5.
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = 𝐾𝑉 ∗ 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 (2.3)
Velocidad = 930 ∗ 12 voltios
Velocidad = 11160 revoluciones por minuto
Con pruebas realizadas se requiere 250 gramos de empuje para romper inercia y
levantar el Drone, colocando hélices se monitorea la velocidad entregada para obtener
el empuje mínimo y la corriente consumida.
Tabla 2.5 Valores Modelo Drone
EMPUJE (gr) TIEMPO (ms) CORRIENTE (A)
250 1650 6.34
Datos de trabajo del Drone, Sebastián Rojas, Jose Tafur
Al tener un rango de 4 a 10 Amperios de consumo de corriente y el valor de despegue
es de 6.34 amperios, estos motores tienen la fuerza y velocidad necesaria para levantar
el Drone y hacerlo volar.
Así mismo, el control de velocidad de motores depende del tiempo en alto que envía
el controlador de vuelo el cual tiene un rango desde 1000 a 2000, siendo 1650 el valor
de despegue con la corriente de 6.34 amperios que es requerida.
25
2.5. Sistema electrónico de control (ESC)
Los motores al tener un modelo trifásico requieren de un Sistema Electrónico de
Control (ESC) el cual convierte una señal PWM en un circuito de disparo trifásico por
IGBT los cuales controlan el accionamiento de cada bobinado interno del motor.
En este caso los motores al tener una corriente de operación máxima de 12 Amperios
deben trabajar con un ESC que tenga como mínimo 15 amperios, esto se debe al rango
de ingeniería el cual establece un aumento en un 25% más al valor de operación
máximo de corriente del sistema, evitando daños en los ESC en el momento de un pico
de energía.
Para el desarrollo del proyecto se eligieron ESC de 20 amperios los cuales cumplen a
satisfacción las corrientes máximas del motor debido a que se evita un calentamiento
excesivo de los elementos electrónicos que componen el ESC impidiendo que los
mismos se quemen, aumentando el tiempo de vida.
El ESC HobbyKing 20A UBEC que se visualiza en la Figura 2.9, permite configurar
el sentido de giro de los motores, y el voltaje mínimo de trabajo de las baterías, esto
con el fin de proteger la vida de las baterías ya que tienen un voltaje mínimo del cual
no deben bajar.
Figura 2.9 Control Electrónico de Velocidad (ESC) 20 A
(HobbyKing, 2016)
26
2.6. Mando a Distancia
En el mercado existen muchos modelos de controles remotos o mandos a distancia,
desde controles de comunicación serial, comunicación USB y comunicación
inalámbrica.
En el mando a distancia se necesita dos tipos de comandos análogos y digitales para
realizar el control del UAV.
Se ocupará mínimo 6 digitales y 2 análogos para las siguientes instrucciones:
Inicialización de motores.
Bloqueo de seguridad de inicio.
Arranque de motores.
Detener motores.
Bloqueo de seguridad detención de motores.
Control de Velocidad UP – DOWN (digitales y análogos).
También se ocupará varios tipos de alerta en el mando a distancia para verificar la
inicialización, arranque y detención de motores ya sea lumínicos o de vibración.
En este caso ya que se usa placas arduino por su software libre y a su aceptación de
varios protocolos de comunicación, se elige un control USB debido a su
compatibilidad con módulos de arduino shield USB.
El control a usarse es el de un XBOX que se visualiza en la Figura 2.10, ya que este
cuenta con comunicación USB y tiene varias salidas digitales y analógicas para realizar
el control de vuelo. Cuenta con 2 motores de vibración los cuales permiten alertar al
operador.
27
Figura 2.10 Control XBOX
(Linio, 2016)
2.7. Hélices
Las hélices son parte esencial del Quadcopter, ya que dependen de la longitud y la
inclinación para tener más fuerza de empuje y levantar a toda la estructura que
compone el UAV.
Otro aspecto importante al elegir de las hélices, es que tipo de motores se usan y a
cuantas revoluciones trabajan ya que si se coloca hélices de mucho empuje el torque y
corriente que produce el motor será excesivo haciendo que se quemen los bobinados
del motor. Por esta razón si se necesita un empuje fuerte se requiere motores de pocas
revoluciones debido a que soportan corrientes altas.
El Drone con todos los componentes tiene un peso aproximado de 1 Kilogramo, esto
quiere decir que cada motor con cada hélice deben tener un empuje de 250 gramos
mínimo para mantener la sustentación en vuelo.
La mejor opción para levantar este peso es una hélice de 10 pulgadas con un empuje
de 4.7 litros, un ejemplo de ellas de visualiza en la Figura 2.11. Las cuales permiten
que el robot aéreo despegue con la mitad de su potencia.
28
Figura 2.11 Hélices
(drdrone, 2016)
2.8. Baterías
Existen diferentes tipos de baterías entre ellas las de polímeros de iones de litio o LIPO
ya que, gracias a sus componentes y la manera que se encuentran fabricadas, brindan
un mejor desempeño en el uso de la energía que suministra y el peso es
significativamente menor a los otros diferentes tipos de baterías, para el
funcionamiento del Drone se utilizara este tipo de baterías y se realizará el cálculo de
corrientes para verificar el tiempo de duración. (David Linden, 2002)
2.8.1. Batería del sistema de control
Para el sistema de control se debe tener en cuenta el consumo de corriente de los
diferentes elementos que se encuentran en el circuito, también las salidas digitales de
la placa arduino para el control de los ESC y los voltajes de funcionamiento.
Con los datos de la Tabla 2.6 como el arduino uno funciona de 7 a 12 voltios y cuenta
con un regulador de voltaje para obtener 5 y 3.3 voltios y el regulador necesita dos
voltios sobre el voltaje de salida en la entrada se utiliza una batería de 2 Celdas de 7.4
Voltios.
29
Tabla 2.6 Características Componentes Drone
N DESCRIPCIÓN CANTIDAD VOLTAJE
(V) CORRIENTE
(mA)
TOTAL CORRIENTE
(mA)
1 Bluetooth RN-41 1 3.3 – 5 190 190
2 Giroscopio MPU-6050 1 5 10 10
3 Arduino Uno 1 7 – 12 300 300
4 Salida digital Arduino Uno 4 20 80
TOTAL 580 Dispositivos usados en la construcción del Drone, Sebastián Rojas, Jose Tafur
Para el cálculo de corriente se utilizarán las siguientes ecuaciones:
𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡 ∗ 𝐶 (2.4)
𝐸𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 = 𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡
60𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 (2.5)
𝐷𝑚𝑎𝑥 (𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠) = 𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡(𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠) ∗ 𝐶 (2.6)
𝑡𝑑𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡
𝐷𝑚𝑎𝑥 (𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠) (2.7)
Donde:
Dmax Descarga máxima constante de batería en mili Amperios horas.
Ibatt Corriente de batería en mili Amperios horas.
C Valor de descarga constante de batería.
tduración Tiempo de duración de batería.
Ibatt(minutos) Corriente de batería en mili Amperios minutos.
Dmax (minutos) Descarga máxima constante de batería en mili Amperios
minutos.
Eminutos : Es la cantidad de corriente que entrega la batería por minuto
Utilizando la Ecuación 2.4 con una batería de 500mAh y un valor de descarga
constante de 25C se obtiene el siguiente resultado.
30
𝐷𝑚𝑎𝑥 = 500 𝑚𝐴ℎ ∗ 25𝐶
𝐷𝑚𝑎𝑥 = 12500 𝑚𝐴ℎ ≈ 12 𝐴h
Se procede a transformar la cantidad de mili amperios hora de la batería a minutos
utilizando la Ecuación 2.5 obteniendo el siguiente resultado.
𝐸𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 = 500 𝑚𝐴ℎ
60 𝑚𝑖𝑛= 8,33 𝑚𝐴𝑚𝑖𝑛
Aplicando la Ecuación 2.6 se calcula el valor de descarga constante en minutos.
𝐷𝑚𝑎𝑥 (𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠) = 8,33 𝑚𝐴𝑚𝑖𝑛 ∗ 25𝐶 = 208,25 𝑚𝐴𝑚𝑖𝑛
Para el cálculo de duración de la batería se aplica la Ecuación 2.7 y así se obtendrá el
tiempo máximo que será utilizada la batería con el consumo de corriente al máximo
𝑡𝑑𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =500 𝑚𝐴
208,25 𝑚𝐴𝑚𝑖𝑛≈ 2,40 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
2.8.2. Batería del sistema de motores
Se realizó la medición de consumo de voltaje y corriente con respecto al empuje en
gramos con una hélice de 4,7 litros por 10 pulgadas (4,7x10) y el dutty cycle de las
salidas a los ESC, teniendo como objetivo obtener los valores del consumo mínimo de
funcionamiento obteniendo los siguientes resultados.
31
Tabla 2.7 Valores medidos en pruebas
Tiempo
en Alto
Empuje
(gr)
Voltaje
(V)
Corriente
(A)
1400 126 12,4 1,25
1450 150 12,31 2,50
1500 170 12,27 4,80
1550 205 12,21 5,20
1600 230 12,15 5,80
1650 255 12,06 6,34
1700 300 11,93 6,93
1800 350 11,24 7,50
Datos obtenidos, Sebastián Rojas, José Tafur
Como referencia se toman los valores de la Tabla 2.7 para utilizar una batería de 2 o 3
celdas ya que soporta corrientes máximas de 12 Amperios y un trabajo nominal de 4 a
10 Amperios lo cual permite el funcionamiento de los motores a todo su potencial y
de esta manera se evita una carga excesiva de corriente en las baterías.
Para mayor rendimiento se utilizará una batería de 3 celdas las cuales proporcionan 12
Voltios, esto se debe a que la velocidad es proporcional al valor de KV del motor con
respecto al voltaje de la batería.
Se debe tener en cuenta el peso de la batería, ya que entre más capacidad de corriente
tenga la batería mayor será su peso, como ejemplo se tiene dos baterías de 3 celdas
una de 2650 mAh que pesa 215gr y otra de 6000 mAh que pesa 468gr, el Drone está
diseñado para pesar aproximadamente 800 gr sin batería de motores, entre más peso
tenga el Drone mas corriente consumirá y más velocidad necesitará para elevarse, esto
hace que el sistema tenga menor rango de salida para el control de los actuadores.
Los valores de Corriente y Empuje de la Tabla 2.7 se deben multiplicar por el número
de motores del Multirotor, determinando que para generar 250 gr de empuje se
32
consume aproximadamente 6,5 Amperios por motor, es decir que para generar 1 Kg
de empuje para un Cuadrotor se consumirá alrededor de 26 Amperios constantes para
mantener la sustentación de vuelo a un tiempo en alto de las salidas a los ESC de 1600
a 1650 lo que deja un rango de 350 a 400 para el controlador PID. Si el Drone pesa
más de 1Kg este rango disminuirá lo cual genera inestabilidad en el vuelo y no
alcanzará mayor altitud después de despegar.
Para el cálculo de tiempo de duración se realiza el mismo procedimiento que la batería
de control obteniendo los siguientes resultados.
Dmax = 2650 mAh × 25C = 66250 mAh≈ 66A
Eminutos = 2650 mAh
60 minutos= 44.16
Dmax (minutos) = 44.16 mAmin × 25C = 1104.16
tduración = 2650
1104.16 = 2.40 min
Los resultados de la Ecuación 2.16 hacen referencia a un consumo constante de 66
AMPERIOS.
El consumo total de corriente de los motores es mínimo 26 Amperios, y un máximo
aproximado de 40 Amperios como se muestra en la Tabla 2.7. Por estas razones al
tener menor consumo de lo que puede entregar la batería en corriente se va a utilizar
una de 2650 mAh con un valor de descarga constante de 25C, por este motivo es
esencial verificar este valor al momento de diseñar y seleccionar la batería.
2.9. Controlador PID (Proporcional, Integral, Derivativo)
Existen diferentes métodos de sintonización del controlador PID, para la estabilización
se necesita un estimado de los valores para evitar movimientos muy agresivos durante
este proceso.
Se ocupará el método de Ziegler Nichols de límite de estabilidad en donde se debe
registrar la ganancia critica de la salida del controlador solo aumentando el valor de
33
Kp (ganancia proporcional) = Kc (ganancia critica) hasta que el sistema se vuelva
oscilante y se mide el período de oscilación constante para luego reemplazar estos
valores en la siguiente Tabla 2.8. (Ogata, 1998)
Tabla 2.8 Formulas Calculo PID
TIPO DE
CONTROLADOR 𝐾𝑃 𝑇𝑖 𝑇𝑑
P 0,5𝐾𝐶 ∞ 0
PI 0,45𝐾𝐶 𝑃𝐶
1,2⁄ 0
PID 0,60𝐾𝐶 0,5 𝑃𝐶 𝑃𝐶8⁄
(Ogata, 1998)
Para realizar el monitoreo de la salida pitch del PID del Drone se debe verificar que
las acciones de control sean las esperadas con valores iniciales de Kp = 1, Ki = 0, Kd
= 0, para posteriormente elevar el valor de Kp hasta obtener la oscilación constante de
la salida del controlador.
Figura 2.12 Señal de salida PID
Señal PID solo con valor de KP, Sebastián Rojas, Jose Tafur
La Figura 2.12 muestra la salida del controlador PID Pitch del drone con los siguientes
valores Kp = 3, Kd = 0, Ki = 0, la salida aumenta de manera irregular es decir la
ganancia crítica ha sobrepasado su límite.
-200
0
200
11
52
94
35
77
18
59
91
13
12
71
41
15
51
69
18
31
97
21
12
25
23
92
53
26
72
81
29
53
09
32
3
Salid
a P
ID
Tiempo (ms)
Salida Controlador PID Pitch
34
Figura 2.13 Señal de salida PID oscilante
Señal PID solo con valor de KP, Sebastián Rojas, Jose Tafur
La Figura 2.13 muestra la salida del controlador PID Pitch del drone con los siguientes
valores Kp = 2,7, Kd = 0, Ki = 0 y se obtienen la oscilación permanente, para medir el
período de oscilación constante (Pc), se toman los dos valores mostrados en la Figura
2.13.
Pc = (66,116 − 18,126) ms
Pc = 47,99 ms ≈ 48 ms
Kc = Kp = 2,7
Se reemplaza estos valores en la Tabla 2.8 para el tipo de controlador PID
Kp = 0,6 ∗ 2,7 = 1,62
Ti = 0,5 ∗ 48 ms = 24 ms
Td = 48 ms
8= 6ms
Para calcular Ki y Kd se utiliza las siguientes ecuaciones.
Ki = Kp
Ti (2.8)
18, 126 66, 116
-200
-100
0
100
200
1
13
25
37
49
61
73
85
97
10
9
12
1
13
3
14
5
15
7
16
9
18
1
19
3
20
5
21
7
22
9
24
1
25
3
26
5
27
7
28
9
30
1
Salid
a P
ID
Tiempo (ms)
Salida Controlador PID Pitch
35
Kd = Kp ∗ Td (2.9)
Ki = 1,62
24= 0,06
Kd = 1,62 ∗ 6 = 9,72
Con estos valores aproximados de 𝐾𝑝 = 1,62, 𝐾𝑖 = 0,06 y 𝐾𝑑 = 9,72 se ingresarán en
la placa de desarrollo para realizar las primeras pruebas de estabilización del Drone
después de las cuales se realizarán ajustes en la sintonización del controlador.
36
3. CAPÍTULO 3
IMPLEMENTACIÓN
3.1. Placa de circuito impreso (PCB)
Para el diseño de la placa electrónica se debe tener en cuenta varios aspectos entre los
principales son:
Corriente máxima de circulación por los Track del PCB.
Incremento máximo de temperatura de los Track del PCB.
Espesor de cobre del material utilizado en el PCB.
El incremento de temperatura o variación térmica es el cambio sobre la temperatura
inicial del conductor, está es considerada la temperatura ambiente de unos 25°C y
llegará a variar a unos 35°C esto dependerá del consumo de corriente de los
componentes electrónicos debido a que los utilizados en el Drone son de bajo consumo
y no disipan un calor excesivo, es aceptable contar con una variación térmica de 10
Grados Centígrados.
El consumo total de corriente es de 580mA para lo cual se diseñará para un máximo
de 1 Amperio, el espesor de cobre estándar y más utilizado en baquelitas de fibra de
vidrio transparentes es de 35 micrones para el cálculo de los Track del PCB esto
equivale a 1 𝑂𝑧 𝑓𝑡2⁄ con estos valores se procede a dimensionar las pistas basado en
el documento IPC2152 “Standard for Determining Current Carry Capacity in Printed
Board Design” que muestra en las Figuras 2.14 y 2.15.
La Figura A3.a del Anexo 3 muestra la relación de corriente con respecto a la sección
cuadrada y la variación de temperatura, con los valores de Δt = 10ºC y corriente
máxima de 1 Amperio se obtiene una sección cuadrada de aproximada de 15 milésimas
de pulgadas.
La Figura A3.b del Anexo 3 tiene relación de ancho del conductor con respecto a la
sección cuadrada y espesor del cobre utilizado en el PCB. Con el valor obtenido de 15
37
milésimas de pulgadas y espesor del cobre de 1 𝑂𝑧/𝑓𝑡2 se obtiene el valor aproximado
de 0,015 pulgadas para el ancho del conductor el que equivale a 0,387 milímetros.
El circuito impreso se realizará con track de 1 milímetro debido a que los datos de las
figuras son experimentales por lo que hay que sobre dimensionar las medidas, con el
valor de 1 milímetro y una variación de 10ºC el conductor soportar hasta 2 Amperios
presentando así el siguiente diagrama generado en Proteus 8.1 SP1. El resultado de la
placa PCB se presenta en la Figura 3.1.
Figura 3.1 Pistas de la placa de sensores
Placa de Sensores, Sebastián Rojas y Jose Tafur
3.2. Software
A través de diagramas de flujo se explica cómo se realizó la programación y lógica de
control del Drone.
Se inician todas las variables que estarán presentes dentro de la programación, después
de esto son configurados los parámetros principales como velocidad de transmisión de
la comunicación serial, valores para el PID y llamado de protocolo I2C. A través de
este protocolo se establece una comunicación con el giroscopio del cual se leen los
datos.
38
Por medio de comunicación serial se encuentra conectado el modulo Bluetooth a una
velocidad de 9600 mbps, el cual recibe información del mando a distancia en forma
de caracteres ASCII. El sistema compara los datos y realiza una acción dependiendo
del dato que recibe.
En el momento en el que el primer dato es verdadero el sistema inicia los motores. Con
la recepción del segundo dato los motores son arrancados y al mismo tiempo el
algoritmo matemático PID entra a funcionar.
El PID recibe la información del giroscopio el cual indica al sistema si el Drone está
inclinado, después de un análisis matemático se envía señales a cada ESC aumentando
o disminuyendo la velocidad, corrigiendo el error si lo hubiese.
Mediante el mando distancia se envía datos que aumentan o disminuyen la velocidad
de los motores y así mismo, existe un botón de emergencia.
39
Figura 3.2 Diagrama de Flujo General
Funcionamiento del Drone, Sebastián Rojas y José Tafur
40
Figura 3.3 Diagrama de Flujo nivel de referencia
Inicio
Configuración Dirección Giroscopio
SI contador_int < 2000
Acumulador de Datos
Fin
Lectura 3 datos
SI
NO
Configuración Encendido Giroscopio
Contador_int +1
Calculo valor promedio
Adquisición de datos giroscopio del Drone, Sebastián Rojas y José Tafur
3.3. Plano del Drone
En la Figura 3.4 se visualiza el plano de la estructura del Drone, con sus dimensiones.
Figura 3.4 Dimensiones
Planos generales del Drone, Sebastián Rojas y José Tafur
41
3.4. Lectura de Datos de sensores
En la Figura 3.5 se visualiza las conexiones entre la placa Arduino y el Giroscopio. La
lectura de datos se realiza a través del protocolo I2C con el que cuenta la placa Arduino
Uno y el Giroscopio.
El establecimiento de comunicación entre Arduino y el Giroscopio se realiza a través
de la inicialización de una dirección y un registro con el que cuenta el sensor. La señal
de reloj es configurada a 4 MHZ.
Al iniciar comunicación la placa Arduino con el Giroscopio, se envía un registro en el
cual se indica que datos del sensor serán transmitidos, el modo de operación, y el final
de la transmisión. En este caso el modo de operación es en baja energía, se lee los
valores del giroscopio tanto de pitch, yaw y roll.
En el momento de recepción de datos de los 3 ejes, estos son almacenados en 3
variables.
Figura 3.5 Arduino y Giroscopio
Diagrama de Conexiones Giroscopio, Sebastián Rojas, José Tafur
3.5. Comunicación inalámbrica y control remoto
Para la comunicación se usan dispositivos Bluetooth, el modelo de los dispositivos es
el RN-41, según las especificaciones técnicas tienen un rango de 100 metros con línea
directa de comunicación.
42
Estos dispositivos se configuran con comandos AT, los cuales permiten establecer
velocidad de transmisión, maestro/esclavo y comunicación automática.
Se tiene dos dispositivos, un módulo conectado en la placa Arduino que está sobre el
Quadcopter, el cual recibe los datos de mando, y otro que se encuentra colocado en la
placa Arduino uno que tiene el control remoto o mando a distancia.
Los parámetros son configurados de manera tal que en el momento de encender los
dos módulos, se conecten automáticamente con una velocidad de transmisión de 9600
baudios. El diagrama de conexiones entre la placa Arduino y el modulo Bluetooth se
visualiza en la Figura 3.6.
Figura 3.6 Arduino y Bluetooth RN41
Conexión modulo Bluetooth, Sebastián Rojas y José Tafur
El control remoto Xbox 360 se conecta mediante USB a una tarjeta Shield, que permite
interactuar directamente con la placa Arduino uno y recopilar los datos enviados desde
el control remoto, el diagrama de conexiones se visualiza en la Figura 3.7.
En el momento que se pulsa una tecla del control remoto, un dato es transmitido a
través de los módulos Bluetooth a la placa de control del UAV, esta al recibir la
información envía un dato de confirmación a la placa de mando a distancia haciendo
vibrar el control remoto Xbox 360.
43
Figura 3.7 Shield USB y control Xbox 360
Conexión Control Xbox 360 y arduino shield, Sebastián Rojas y José Tafur
3.6. Activación de motores
Para la activación de los motores la placa Arduino envía señales PWM al controlador
electrónico de velocidad (ESC), el cual dependiendo del ancho del pulso hará que los
motores giren a mayor o menor velocidad.
El ancho de pulso en alto en el microprocesador está configurado para trabajar entre
1000 y 2000 milisegundos, mientras más bajo el ancho de pulso, menor la velocidad
de los motores y viceversa.
Los motores tienen un valor de PWM en el que inician, este valor es de 1300
milisegundos, en el momento que llegan a 1300 los motores producen un sonido
alertando el inicio de los mismos. El valor de arranque y en el que empiezan a girar
los motores es de 1350 milisegundos.
Los ESC tienen parámetros configurables que permiten elegir el sentido de giro de los
motores, tipo de arranque de los motores y tope mínimo de voltaje en que los motores
trabajarán. En este caso el tipo de arranque es configurado en suave y el voltaje mínimo
no debe pasar 45% de la capacidad total de la batería.
En la Figura 3.8, se visualizan las conexiones entre la placa Arduino, el controlador
electrónico de velocidad y el motor Brushless
44
Figura 3.8 Control de Motores Brushlees con Arduino
Diagrama de conexión de motor Brushless, Sebastián Rojas y José Tafur
3.7. Implementación del algoritmo de control
El algoritmo de control permite a los motores acelerar o desacelerar, esto con el fin de
mantener al UAV en posición vertical.
El sensor que ayuda a mantener el sistema estable es el giroscopio ya que este indicará
si el Quadcopter se inclina o cambia de posición, haciendo que el algoritmo
matemático compense esa inclinación variando la velocidad de los motores.
En la Figura 3.9, se representa el comportamiento del algoritmo de control PID.
Figura 3.9 Modelo planta PID
Diagrama Algoritmo PID, Sebastián Rojas y José Tafur
45
3.8. Implementación Estructural
Se procede a armar la estructura del UAV y se colocan los 4 motores y 4 hélices. Se
toma en cuenta la dirección a la que debe girar cada motor, ya que 2 motores giran en
sentido horario y los otros 2 en sentido anti horario como se muestra en la Figura 3.10,
esto con el fin de evitar que el Drone gire en el momento del vuelo.
Figura 3.10 Movimiento de motores
Configuración de Giro Hélices y Motores, Sebastián Rojas, José Tafur
Adicional se colocan los ESC uno en cada brazo, estos van sujetados con amarras de
plástico o amarras de velcro, y conectados a cada motor como se ve en la Figura 3.11.
Figura 3.11 Estructura de Drone con ESC
Colocación de ESC en cada brazo, Sebastián Rojas y José Tafur
46
El Arduino Uno se coloca en el centro de la estructura, sobre esta se coloca la placa
con los sensores y el módulo Bluetooth.
El diseño de la placa de sensores está distribuida para que el giroscopio este en el
centro exacto del UAV. Esto se observa en la Figura 3.12.
Figura 3.12 Estructura Drone con Motores
Plataforma aérea armada al 100%, Sebastián Rojas, Jose Tafur
En este momento se establece el frente del UAV, el cual está marcado por el eje x
positivo con respecto al giroscopio.
3.9. Algoritmo de control 3 ejes
El algoritmo de control implementado es un PID. Este algoritmo toma como referencia
el set point (valor intermedio) de cada eje del giroscopio.
Gracias a esto, si el sistema tienden a inclinarse en el eje x, eje y o eje z, el PID se
encarga de compensar la velocidad de cada motor de manera independiente.
Si el eje x se inclina, dos motores aceleran y los otros dos desaceleran con el fin de
posicionar al UAV en posición vertical y lo mismo pasa con el eje y.
47
En el momento en que el Drone tiende a girar sobre su propio eje, el PID que controla
el eje z compensa la velocidad de los motores evitando que el Drone gire.
48
4. CAPÍTULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1. Banco de Pruebas
Estas pruebas se realizaron colocando el Drone en una estructura que lo sujetaba en un
solo eje como se visualiza en la Figura 4.1. Esto se hizo con el fin de comprobar el
funcionamiento del algoritmo de vuelo implementado para verificar el control de
estabilidad y posteriormente efectuar ajustes en el algoritmo.
Figura 4.1 Drone en Banco de Pruebas un solo eje
Prueba de Algoritmo de Control, Sebastián Rojas, Jose Tafur
Estas pruebas fueron realizadas con el fin de establecer el comportamiento inicial del
Drone con el algoritmo de vuelo.
4.2. Despegue con protector
Después de realizadas las pruebas de control en cada eje, se hace despegar al Drone
que previamente fue colocado en una protector de espuma de poliuretano con el fin de
proteger hélices y estructura como se visualiza en la Figura 4.2.
49
Es estas pruebas se constató que la estructura de protección era pesada, por lo que los
motores necesitan más velocidad para que las hélices tengan la fuerza necesaria para
levantar el Drone mas el protector, el cual tiene un peso de 1.8 kilogramos.
Se verifico que los valores de PID para el control de vuelo no eran los correctos ya que
en el despegue el Drone tenía tendencia a girar en 180° con respecto al eje vertical.
Figura 4.2 Drone con protector
Prueba de vuelo con protector, Sebastián Rojas, Jose Tafur
4.3. Despegue y vuelo sin protector
En esta fase de pruebas al Drone se le extrajo la protección como se visualiza en la
Figura 4.3, se constató que el despegue se lograba con el 45% de capacidad de los
motores debido a que el peso total en ese momento era de 1 kilogramo.
El Drone en esta fase no tenía una estabilización total y tendía a oscilar, por lo que
faltaba sintonización del PID, estas son algunas de las características encontradas con
las variaciones echas en el algoritmo de vuelo.
50
Figura 4.3 Drone sin protector
Prueba de vuelo sin protector, Sebastián Rojas, Jose Tafur
En el momento en que el valor de (P) es bajo el Drone gira a los lados, oscilando en el
despegue y si es alto los motores tienden a vibrar.
Con respecto al valor de (I), si es bajo hace que el Drone gire en 180° y caiga, y con
valores altos el sistema tiende a vibrar y oscilar al mismo tiempo.
El valor de (D) ayuda a predecir los movimientos en el control de vuelo pero si el valor
es bajo el Drone se inclina y no recupera su posición, en el caso de que el valor sea
alto el robot aéreo gira lento y no logra la estabilización.
4.4. Pruebas finales
Se procede a realizar las configuraciones iniciales del sistema y la familiarización del
mismo, existen varios pasos que se debe tener en cuenta para el funcionamiento del
Drone.
Paso 1: Verificar el voltaje de baterías del Drone, la de la placa de desarrollo no debe
estar por debajo de los 7 voltios y la de motores no debe estar bajo los 11 voltios para
tener un rendimiento alto en el controlador PID.
Paso 2: Se debe energizar la placa de desarrollo del Drone y después el mando a
distancia.
51
Paso 3: Verificar que existe conexión entre los módulos Bluetooth visualizando que
los led de color verdes ubicados en cada módulo estén encendidos, de no ser así se
debe quitar la energía a las placas de desarrollo y realizar de nuevo el Paso 2.
Paso 4: Realizar un envío de comandos con el botón A del mando para verificar que
se encuentra conectado el mando a distancia con el Drone, la confirmación de la
conexión se realiza a través de la vibración del control remoto.
Paso 5: Colocar el Drone sobre una superficie plana y reiniciar las dos placas, una del
Drone y la otra del mando a distancia, esto con la ayuda del pulsador reset. Una vez
confirmado el dato recibido por el Drone, el mando a distancia vibrara, en caso de no
ser así se debe regresar al Paso 2.
Paso 6: Una vez realizado el Paso 5 esperar a que el led indicador permanezca
encendido después de parpadear durante 3 segundos, que es el tiempo de calibración
del giroscopio sobre la superficie que se encuentra el Drone.
Paso 7: Encender la batería de motores del Drone.
Realizado los 7 primeros pasos se procederá a arrancar el Drone con varios comandos
del mando inalámbrico en el siguiente orden.
Presionar el botón A y esperar la confirmación en modo de vibración del mando a
distancia y la inicialización de los motores con un sonido proveniente de las bobinas
de los mismos, si no existe las confirmaciones tanto del mando a distancia como el
sonido del Drone se debe desconectar la batería de motores del Drone inmediatamente
y volver al Paso 2 para evitar accidentes.
Luego del literal (a) se debe presionar el botón START y verificar en la placa de
desarrollo del mando a distancia el encendido del led indicador caso contrario se debe
reiniciar con el botón de reset y regresar al literal (a) sin esperar la confirmación de
vibración ni auditiva.
52
Presionar el botón B para encender los motores en su velocidad más baja el cual
confirmará en modo de vibración sobre el mando a distancia.
Para aumentar la velocidad existen dos botones uno digital el botón UP y un análogo
el gatillo RT en el mando a distancia.
Para disminuir la velocidad existen dos botones uno digital el botón DOW y un
análogo el gatillo LT en el mando a distancia.
El botón Y del mando a distancia es el paro de emergencia de motores sin bloqueo del
sistema, es decir detiene los motores completamente y permite arrancar los motores
como muestra el literal (c) y confirmará en modo de vibración sobre el mando a
distancia.
El botón BACK es el paro de emergencia de motores con bloque del sistema, es decir
detiene los motores completamente y confirmará en modo de vibración sobre el mando
a distancia pero se debe realizar un proceso de reactivación de motores que se muestra
a continuación:
Luego de ser presionado el botón BACK se presiona el botón central XBOX.
Se presiona el botón A.
Se presiona el botón START.
Realizado este proceso se vuelve al literal (c).
Con estas indicaciones previas se procederá a realizar las pruebas de estabilización con
todos los datos reunidos de la parte de diseño y de implementación del Drone.
Si el sistema es inestable se debe realizar varios ajustes en el controlador PID siguiendo
los siguientes criterios:
53
Tabla 4.1 Criterios de Sintonización
Proporcional: Es el encargado de la estabilidad y el control del Drone.
PROPORCIONAL MUY
BAJO
PROPORCIONAL
CORRECTO
PROPORCIONAL
MUY ALTO
Muy difícil de controlar
el cuadricóptero y
realizara sobre
correcciones en la
estabilización.
Acelerara adecuadamente el
cuadricóptero y mantendrá
la estabilidad.
Oscilaciones muy
rápidas.
Integral: Es el encargado de la velocidad con la que el proporcional reacciona.
INTEGRAL MUY BAJO INTEGRAL CORRECTO INTEGRAL MUY
ALTO
El cuadricóptero tenderá
a subir el frente
Mantendrá la horizontalidad
de manera rápida
El cuadricóptero
tendera a bajar el frente
y oscilaciones lentas
Derivativo: Es el encargado de suavizar y dar velocidad al movimiento
DERIVATIVO
MUY BAJO
DERIVATIVO
BAJO
DERIVATIVO
ALTO
DERIVATIVO
MUY ALTO
Las acciones de
control serán muy
bajas muy parecido
al tener un valor de
Proporcional bajo
Suaviza las
reacciones del
movimiento
El cuadricóptero
tiene un
movimiento
vibratorio
El cuadricóptero
tiene un
movimiento
oscilatorio
Criterios de Sintonización Control PID, Sebastián Rojas, Jose Tafur
54
Estas correcciones se realizan visualizando el movimiento del Drone y registrando los
cambios que este tenga.
Valores iniciales:
Hélices 4,7 litros por 10 pulgadas.
Batería Motores 3 celdas 2650 mAh 25C.
Batería Control 2 celdas 500mAh 25C.
Peso 1100 gr
4.4.1. Prueba n° 1
Con los valores calculados de PID se realizó las pruebas para la estabilización del
Drone.
Controlador PID 𝐾𝑝 = 1,62, 𝐾𝑖 = 0,06 y 𝐾𝑑 = 9,72.
Figura 4.4 Señales tomadas en el eje PITCH
Prueba 1 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
55
Figura 4.5 Señales tomadas en el eje ROLL
Prueba 1 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
La Figura 4.4 y Figura 4.5 muestran los resultados de 3 Pruebas distintas cuyos
gráficos individuales se encuentran en el Anexo 2. Con los mismos valores de
sintonización, se obtienen resultados similares en la medición de los ejes PITCH y
ROLL del giroscopio.
La principal característica de estas pruebas son las oscilaciones que van aumentando
con el pasar de tiempo, haciendo que el sistema no se estabilice y teniendo como
resultado el giro en 180° grados en el eje PICTH del Drone lo cual se aprecia en la
Figura A2.1 del Anexo 2. Esto en la Gráfica 4.4 se aprecia en la inversión del sentido
de la señal del sensor.
Al observar lo que sucede en la Prueba 1, junto con los criterios de estabilización
mostrados en la Tabla 4.1 y ya que el error es proporcional al valor de Kp. Se verifica
que el valor de Kp está sobre el adecuado, por lo tanto se reducirá al valor a 1.3.
56
4.4.2. Prueba n° 2
Realizando los ajustes para la sintonización del PID se reduce el valor de Kp a 1,3,
obteniendo los siguientes valores.
Controlador PID 𝐾𝑝 = 1,3, 𝐾𝑖 = 0,06 y 𝐾𝑑 = 9,72.
Figura 4.6 Señal del sensor en eje Pitch
Prueba 2 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
Figura 4.7 Señal del sensor en eje ROLL
Prueba 2 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
57
La Figura 4.6 y Figura 4.7 muestran los resultados de 5 Pruebas distintas cuyos
gráficos individuales se encuentran en el Anexo 2 con los mismos valores de
sintonización, obteniendo resultados similares en la medición de los ejes PITCH y
ROLL del giroscopio.
La principal característica observada son las oscilaciones lentas que aumentan y
disminuyen conforme pasa el tiempo, como también el intento de invertir el sentido
del sensor en 180° en el eje PITCH.
Estas observaciones junto con los criterios de estabilización mostrados en la Tabla 4.1
y los resultados de la Prueba 1 nos indica que:
Las oscilaciones han disminuido notablemente debido a la reducción del valor
de Kp.
El frente del Drone baja con respecto a la horizontal ya que las oscilaciones se
encuentran en el eje PITCH sin llegar a la estabilización realizando un
movimiento de traslación lo cual se verifica en la Figura A2.2 del Anexo 2.
Estas observaciones junto con los criterios de estabilización mostrados en la Tabla 4.1
determinan que el valor de Ki está sobre el adecuado, para corregir este problema se
reducirá al valor de Ki en 0.03.
58
4.4.3. Prueba n° 3
Realizando los ajustes para la sintonización del PID, se mantiene el valor de Kp de la
Prueba N° 2 y disminuye el valor de Ki a 0,03 obteniendo los siguientes valores.
Controlador PID 𝐾𝑝 = 1,3, 𝐾𝑖 = 0,03 y 𝐾𝑑 = 9,72.
Figura 4.8 Señal de estabilidad y perturbación en el eje PITCH
Prueba 3 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
Figura 4.9 Señal de estabilidad y perturbación en el eje ROLL
Prueba 3 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
59
La Figura 4.8 y Figura 4.9 muestran los resultados de 5 Pruebas distintas cuyos
gráficos individuales se encuentran en el Anexo 2 con los mismos valores de
sintonización, obteniendo resultados similares en la medición de los ejes PITCH y
ROLL del giroscopio después de mantenerse estable en vuelo y posteriormente
ejerciendo sobre el sistema una perturbación en uno de sus ejes.
Realizando el análisis de la respuesta transitoria para el sistema frente a una
perturbación en cada una de las pruebas se obtiene:
Tabla 4.2 Pruebas frente a una perturbación
PRUEBA #1 #2
BANDA
TOLERANCIA
5% 2% 5% 2%
±25 ±10 ±25 ±10
PERTURBACIÓN(°/s) -250 -250 -190 -190
Mp (°/s) 180 180 155 155
ts (ms) 734 1034 584 834
PRUEBA #3 #4
BANDA
TOLERANCIA
5% 2% 5% 2%
±25 ±10 ±25 ±10
PERTURBACIÓN(°/s) -205 -205 -175 -175
Mp (°/s) 210 210 160 160
ts (ms) 634 834 350 751
PRUEBA #5
BANDA
TOLERANCIA
5% 2%
±25 ±10
PERTURBACIÓN(°/s) -90 -90
Mp (°/s) 75 75
ts (ms) 719 1002
BANDA
TOLERANCIA
5% 2%
±25 ±10
ts (ms) promedio 664.2 891
Análisis de la respuesta transitoria, Sebastián Rojas, Jose Tafur
60
Donde:
Mp = Máximo Sobrepaso.
ts = tiempo de asentamiento.
El ts , es el tiempo que el sistema requiere para ingresar en la banda de tolerancia la
cual va del 2% al 5% y permanezca en él.
Este análisis se realizó para cada uno de las pruebas y se muestran en la Tabla 4.2.
Obteniendo un tiempo promedio de 664.2 ms y de 891 ms para una banda de tolerancia
del 5% y 2% respectivamente.
Analizando los resultados de la Prueba 3 se tiene que:
El sistema se estabiliza en un aproximado de 1 segundo luego de recibir una
perturbación en uno de sus ejes.
Mantiene la estabilidad al despegar y con muy poco desplazamiento es decir
baja muy poco el frente y realiza correcciones mínimas la cual se verifica en el
Figura A2.3b del Anexo 2.
El Drone recupera la horizontalidad después de ejercer una perturbación o
fuerza externa lo cual se verifica en la Figura A2.3a del Anexo 2.
El tiempo de respuesta frente a una perturbación es lo suficientemente rápido
para que el sistema recupere la horizontal.
61
5. CAPÍTULO 5
CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones
El uso de una placa de desarrollo con hardware y software libre ayudo al uso
de diferentes elementos y módulos de distintas marcas, ya que son compatibles
con la placa mencionada. Teniendo como resultado un sistema que es capaz de
soportar varios algoritmos de control, y diferentes tecnologías de
comunicación inalámbrica para el mando a distancia, lo cual ayuda a adaptar
al Drone y a su sistema a diferentes necesidades.
Con el estudio de los diferentes tipos de baterías y sus características
principales de peso, corriente que suministra, duración en consumo constante
de corriente, voltaje y dimensiones se ha logrado obtener que las baterías de
polímeros de iones de litio o LI-PO son las que entregan un rendimiento alto.
Esto se debe a que a comparación de otras estas baterías cuentan con
dimensiones pequeñas, por ende el peso se reduce y la composición química
ayuda a que la descarga de corriente sea más lenta haciendo que el Drone tenga
una autonomía de vuelo mayor.
Con relación a los diferentes tipos de UAV que existen se realizó un drone de
4 motores y hélices, al diseñar este tipo de Drones se debe tener claro cual es
el propósito de su creación ya que de esto depende que tipo de motores y hélices
serán implementadas. Si se desea un Drone que logre levantar objetos se
requiere de mucha fuerza que se logra colocando motores de revoluciones bajas
y hélices de alto empuje. Pero si se requiere un UAV rápido y ágil se pondrán
motores de revoluciones altas y hélices pequeñas de poco empuje.
Con el modelamiento matemático de las pruebas realizadas de consumo de
corriente y empuje en gramos con respecto al tiempo en alto de la salida de
PWM para control de motores con un determinado tipo de hélice, se obtuvo
que, el sistema depende de las dimensiones y empuje de la hélice ya que son
62
responsables de aumentar o disminuir el consumo de corriente, el tiempo de
vuelo, el valor máximo y el mínimo de la salida del controlador PID,
dimensionamiento de motores, y el peso máximo de transporte adicional del
Drone.
La estabilidad del sistema depende de la velocidad de procesamiento del
algoritmo implementado pero también de los elementos estructurales del
Drone, es así que todas las piezas, bases, motores y hélices deben estar
ajustadas y balanceadas evitando vibraciones excesivas en el sistema. Así
mismo la utilización de gomas anti vibratorias que son colocadas en la
estructura donde se encuentran lo sensores ayudan a mejor el rendimiento del
UAV.
Debido a que el Drone se mueve en 3 ejes simultaneaos, PITCH que es la
inclinación del frente con respecto al eje roll, ROLL es la inclinación con
respecto al pitch y YAW es la rotación perpendicular del Drone, se determina
que es necesario un sistema de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO),
donde se determinó que el sistema base de control se realizó con un PID, que
permitió obtener las entradas de un giroscopio de 3 ejes y controlar 4 motores
en simultaneo y como la fabricación del Drone es simétrica, los valores de
sintonización de Pitch y Roll son iguales.
63
5.2. Recomendaciones
Para evitar vibraciones que influyan en la lectura del sensor giroscopio
asegurase que los tornillos del case o motores se encuentren debidamente
sujetados y atornillados.
Para evitar vibraciones se debe balancear adecuadamente las hélices de los
motores, de preferencia con un balanceador de hélices comercial que evita la
fricción o algún otro tipo de alteración.
Para un funcionamiento adecuado asegurarse que las baterías estén cargadas y
se encuentren en buenas condiciones es decir que no estén infladas o con error
en sus celdas y sigan entregando la corriente y voltaje esperado.
Revisar que el filtro digital del sensor giroscopio se encuentre funcionando y
sea el adecuado para la resolución y escala en la que se esté trabajando.
Revisar el estado de las hélices luego de realizar pruebas de vuelo donde hayan
sufrido algún impacto significativo lo cual puede producir un mal
funcionamiento posterior.
Calibrar el Drone en sus valores de ganancia kp, ki y kd a partir de los criterios
expuestos en el Capítulo 4.
Verificar que exista una comunicación fiable entre el emisor y el receptor antes
de realizar cualquier prueba para evitar posibles accidentes con el Drone.
En el momento de realizar pruebas tanto de banco como de vuelo, el personal
deberá tener elementos de protección como gafas y guantes lo cual ayudara a
prevenir heridas con las hélices en el posible caso de un mal funcionamiento.
64
LISTA DE REFERENCIAS
Aliexpress. (25 de Julio de 2016). Aliexpress. Obtenido de Motor Brushless 930Kv.
Arduino. (16 de Agosto de 2016). Arduino. Obtenido de Arduino Uno.
Bueno, D. (25 de Junio de 2016). mecanizado el arenal.
CanStockPhoto. (9 de Agosto de 2016). CanStockPhoto. Obtenido de Fotos
Dirigibles.
Carnot, I. (9 de Agosto de 2016). Institut Carnot. Obtenido de Transportes.
CodeDIMENSION. (15 de Agosto de 2016). CodeDIMENSION. Obtenido de
CodeDIMENSION.
Control, R. (9 de Agosto de 2016). RadioControl. Obtenido de Radio Control.
David Linden, T. B. (2002). Handbook Of Batteries. New York: R. R Donnelley y
Sons Company.
Dealextreme. (12 de Julio de 2016). Dealextreme. Obtenido de GY521-MPU6050.
drdrone. (16 de Agosto de 2016). drdrone. Obtenido de Helices.
ECURED. (5 de Agosto de 2016). ECURED. Obtenido de ECURED.
Expandore. (9 de Agosto de 2016). Expandore. Obtenido de Multirrotor.
EYCOM. (12 de Febrero de 2016). EYCOM. Obtenido de
Calculo_capacidad_de_corriente_en_pistas.
Fondox. (9 de Agosto de 2016). Fondox. Obtenido de Prototipo Drone.
Garcia, R. A. (3 de Agosto de 2016). Academia Edu. Obtenido de Academia Edu.
HobbyKing. (5 de Julio de 2016). HobbyKing. Obtenido de Hobby King 20A ESC
3A UBEC.
InvenSense. (08 de 19 de 2013). MPU-600O Y MPU-6050 Prodcut Specification.
U.S.A.
Jayconsystems. (11 de Agoto de 2016). Jayconsystems. Obtenido de RN-41
Bluetooth Module Breakout Board.
Linio. (16 de Agosto de 2016). Linio. Obtenido de Control Xbox 360 Inalambrico.
65
Minimall. (9 de Agosto de 2016). Minimall. Obtenido de Helicoptero electronico.
Mora, M. O. (2015). Los Drones y su aplicación en la ingeniería civil. Madrid:
Graficas Arias Montano.
Ogata, K. (1998). Ingenieria de Contro Moderna, Tercera Edicion. Mexico: Pearson
Educación.
ORTEGA, D. V. (2015). Piloto de Drone RPAS. Madrid-España: S.A. EDICIONES
PARANINFO.
Pololu. (18 de julio de 2016). Pololu. Obtenido de Robotic y Electronics.
Proakis, J. G. (2007). Tratamiento Digital de Señales. Madrid: Pearson Educación.
Rcgroups. (16 de Agosto de 2016). Rcgroups. Obtenido de Motor Brushless 930 KV.
Roving. (5 de Julio de 2016). Roving Network. Obtenido de RN-41.
udlap. (4 de Abril de 2016). Estandar Bluetooth IEEE.
Yedamale, P. (2 de Agosto de 2016). Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals.
Zier, A. (1942). Aerodinamica para Aeromodelos. Clarksburg: Mead & Company.
66
ANEXOS
67
ANEXO 1
Modelamiento Matemático
El modelamiento matemático se realiza en Matlab para obtener las relaciones de las
hélices de 10x4,7 con respecto al tiempo en alto de la salida de PWM del controlador
y la corriente consumida por los motores que ayudará al dimensionamiento de los
componentes del drone y el peso máximo, obteniendo así las siguientes gráficas con
los datos de la Tabla 2.7 de valores medidos en pruebas.
Relación tiempo en alto y empuje.
Código MATLAB
clear all;
clc;
x = [1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1800];
y = [126 150 170 205 230 255 300 350];
title('Relación Tiempo en Alto y Empuje Hélice 10x4.7 en gr')
xlabel('Tiempo en Alto');
ylabel('Empuje Hélice (gr)');
grid on;
hold on;
plot (x,y);
68
Gráfica MATLAB
Figura a.1
En la Figura a.1 se observa que el empuje para un motor con una hélice de 10x4,7 es
lineal con respecto al tiempo en alto de la salida PWM obteniendo la ecuación:
𝑦 = 0,5717 ∗ 𝑥 − 680,8 Ecuación a.1
Permite estimar el peso en gramos que llegará a tener el drone, y el valor de salida
máximo y mínimo del controlador PID.
Obteniendo que si el drone pesa 1Kg se deberá ejercer una fuerza aproximada de 250gr
por cada hélice - motor.
Relación tiempo en alto y corriente de consumo.
Código MATLAB
x = [1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1800];
y =[1.25 2.50 4.80 5.20 5.80 6.34 6.93 7.50];
title('Relacion Tiempo en Alto y Corriente de consumo')
xlabel('Tiempo en Alto');
ylabel('Corriente (A)');
grid on;
hold on;
69
plot (x,y);
Gráfica MATLAB
Figura a.2
En la Figura a.2 se observa que la corriente aumenta hasta llegar al máximo que
permite los motores teniendo así para la aproximación de consumo de corriente de
motores la siguiente ecuación:
𝑦 = −4,0018𝑥10−5 ∗ 𝑥2 + 0,14299 ∗ 𝑥 − 120,38 Ecuación a.2
Esto permitirá el dimensionamiento de la batería de motores para determinar el tiempo
de vuelo.
70
ANEXO 2
Figura A2.1 Vuelo Drone con KP alto
Prueba Drone, Sebastián Roja y Jose Tafur
En la Figura A2.1, se observa que el Drone realiza un movimiento oscilatorio rápido
que aumenta conforme va perdiendo la horizontal haciendo que el roll se descompense
y gire completamente.
71
Figura A2.1.1
Prueba 1 Drone, Sebastián Roja y Jose Tafur
Figura A2.1.2
Prueba 2 Drone, Sebastián Roja y Jose Tafur
72
Figura A2.1.3
Prueba 3 Drone, Sebastián Roja y Jose Tafur
Las Figuras A2.1.1, A2.1.2, A2.1.3 son los resultados de las pruebas individuales de
estabilización del Drone con valores de Kp = 1.62, Ki = 0.06, Kd = 9.72.
Figura A2.2 Vuelo Drone con Ki alto
Prueba Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
73
En la Figura A2.2, se observa que el Drone realiza un movimiento oscilatorio lento e
incrementa lentamente, también que tiende a desplazarse debido a que el frente del
Drone baja con respecto a la horizontal.
Figura A2.2.1
Prueba 1 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
Figura A2.2.2
Prueba 2 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
74
Figura A2.2.3
Prueba 3 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
Figura A2.2.4
Prueba 4 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
75
Figura A2.2.5
Prueba 5 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
Las Figuras A2.2.1, A2.2.2, A2.2.3, A2.2.4, A2.2.5 son los resultados de las pruebas
individuales de estabilización del Drone con valores de Kp = 1.3, Ki = 0.06, Kd = 9.72.
76
Figura A2.3a Prueba de estabilización
Drone frente a perturbaciones, Sebastián
Rojas y Jose Tafur
Figura A2.3b Vuelo estable del Drone
Prueba 3 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
77
En la Figura A2.3a se observar que el Drone recupera la horizontal de manera rápida
y mantiene la estabilidad frente a una perturbación en uno de sus ejes en este caso en
el eje ROLL.
En la Figura A2.3b se observa que el Drone toma altura fácilmente así como mantiene
la horizontal al elevarse y sin trasladarse.
Figura A2.3.1
Prueba 1 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
Figura A2.3.2
Prueba 2 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
78
Figura A2.3.3
Prueba 3 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
Figura A2.3.4
Prueba 4 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
79
Figura A2.3.5
Prueba 5 Drone, Sebastián Rojas y Jose Tafur
Las Figuras A2.3.1, A2.3.2, A2.3.3, A2.3.4, A2.3.5 son los resultados de las pruebas
individuales de estabilización del Drone con valores de Kp = 1.3, Ki = 0.03, Kd = 9.72.
80
ANEXO 3
Figura A3.a
(EYCOM, 2016)
Figura A3.b
(EYCOM, 2016)
